Задание 1. «Криоскопия». Свойства растворов, не зависящие от

53-я Всесибирская открытая олимпиада школьников
Заключительный этап 2014-2015 уч. года
ФЕН
CH3
O
N
Задания по химии
11 класс
НГУ
Задание 1. «Криоскопия».
Свойства растворов, не зависящие от химической природы растворенного вещества, а
определяющиеся лишь его количественным содержанием, называются коллигативными. Одним из
важнейших примеров таких свойств является понижение температуры плавления (замерзания)
растворителя при добавлении к нему сравнительно небольших количеств другого (нелетучего)
вещества. Это явление называется криоскопия.
Выражение для изменения температуры замерзания растворителя, обусловленного введением
сравнительно небольших количеств другого (нелетучего) компонента, выглядит так:
ΔТ = T − Tр-ра = −(RT2/1000Qпл)∙М∙i∙m, где: Т – температура плавления чистого растворителя, К;
R – универсальная газовая постоянная (8,314 Дж/моль∙К);
Qпл –тепловой эффект плавления растворителя, Дж/моль;
М – молярная масса растворителя, г/моль;
i – изотонический коэффициент (отношение количества частиц примеси в растворе к количеству
вещества введѐнной примеси);
m – моляльная концентрация примеси (количество моль примеси в 1000 г растворителя),
моль/1000 г растворителя.
Одной из наиболее ярких иллюстраций применения данного явления может служить посыпание
дорог и тротуаров в зимнее время хлоридом натрия, чтобы избежать гололедицы.
1. Исходя из приведѐнных справочных данных, рассчитайте тепловой эффект плавления льда:
Qообр(Н2О(тв.))= 291,85 кДж/моль; Qообр(Н2О(ж.)) = 285,83 кДж/моль; Qообр(Н2О(г.)) = 241,81 кДж/моль.
2. Оцените, при какой температуре будет замерзать 1 М водный раствор NaCl (плотность 1,038 г/см3).
(Не забудьте про диссоциацию).
3. Оцените массу хлорида натрия (в г), которую необходимо высыпать на 1 м2 льда толщиной 1 см,
чтобы он растаял при –2оС. Плотность льда 0,917 г/мл.
4. Рассчитайте, сколько угля (в г) с массовым содержанием углерода 60% необходимо сжечь, чтобы
выделившейся энергии хватило для плавления такого же количества льда. Qообр(СО2 (г.)) =
393,5 кДж/моль.
Не менее распространенным применением явления криоскопии является использование эффекта
понижения температуры замерзания бензина (что особенно актуально в условиях суровой сибирской
зимы) при введении в его состав некоторых соединений и их смесей. Вашему вниманию
предлагается список органических соединений, которые могут быть использованы для этой цели:
н-гексан, 1,3-диметилциклогексан, 2,4-диметилгептан, н-декан, толуол, о-ксилол.
5. Изобразите структурные формулы перечисленных соединений. Какие из них имеют оптические
изомеры?
У Вас есть возможность добавить к бензину любое из этих веществ до концентрации (массовой
доли) 10 % и необходимость максимально понизить температуру замерзания бензина.
6. Выберите наиболее подходящее для этой цели вещество и оцените температуру, при которой
замерзнет Ваш бензин. Тпл(бензина) = –20оС; Ткип.(бензина) = 150оС; Qопл(бензина) = –12,7 кДж/моль;
Мср.(бензина) = 110 г/моль.
7. Приведите ещѐ два примера (название и краткое описание) коллигативных свойств растворов.
11 класс
Лист 1 из 4
Задание 2. «Необычные символы элементов / Трудности понимания».
Как-то раз Юному Химику (ЮХ) пришлось одновременно заниматься изучением английского
языка и химии. Он обратил внимание, что английские названия элементов часто не соответствуют их
символу, написанному с помощью букв латинского алфавита. Например, potassium — K, iron — Fe.
1. Приведите ещѐ 2 примера «несоответствия» английского названия элемента и его символа.
ЮХ решил составить для своего друга Начинающего Химика (НХ) химическую загадку, в
которой символы элементов были бы «правильно» составлены из одной-двух букв русского
алфавита, соответствующих их названию на русском языке. Вот что получилось у ЮХ:
А) Ц + ВХ = ЦХ2 + В2
Б) Ал2К3 + Н2К = НАлК2
В) М(АК3)2 = МК + АК2 + К2
Г) Б(АК3)2 + Н2СК4 = БСК4 + НАК3
Д) КаМаК4 + Ка2СК3 + В2СК4 = Ка2СК4 + МаСК4 + В2К
2. Расставьте коэффициенты в приведѐнных уравнениях химических реакций. К каким типам
химических реакций относятся превращения А–Д?
3. Расшифруйте загадку ЮХ, переписав уравнения в привычной для нас нотации (используйте
символы из выданной таблицы Д.И. Менделеева).
НХ не остался в долгу и использовал случайно попавшуюся под руку таблицу Менделеева на
чешском языке, чтобы составить ответную загадку-схему для ЮХ:
В-во
ω(K), %
V2K
88,8
F4K10
56,4
VaK
28,5
НХ признался, что, к его сожалению, символ одного из элементов совпадает с привычным для
нас символом. Кроме того, НХ сообщил, что газ FV3 обладает характерным запахом гнилой рыбы, а
из-за его способности самовоспламеняться на воздухе на болотах появляются блуждающие огни.
Расшифруйте загадку НХ:
4. Запишите формулы веществ с использованием обычных символов элементов.
5. Укажите, к каким классам соединений относятся эти вещества.
6. Напишите уравнения всех реакций, приведѐнных на схеме.
Задание 3. «Самый острый перец в мире».
В 2011 году в книгу рекордов Гиннеса внесли самый острый перец в мире, выращенный
искусственно. Содержащееся в нѐм вещество, отвечающее за острый вкус, имеет название
капсаицин. Это алкалоид, который присутствует в различных видах стручкового перца. В чистом
виде при стандартных условиях он представляет собой белый порошок, нерастворимый в холодной
воде, но растворимый в спирте. Капсаицин Х интересен тем, что, являясь мощным раздражителем,
вызывает привыкание после приѐма регулярных доз низкой концентрации. Ниже приведены схемы
синтеза, в которой он может быть получен.
OH
1. O22,, R
R∙
Сакт.
O
A
B
+
C
HC CH
H3PO4
500oC
2. H2SO4/H2O
C
1. KOH
2. CO2, toC
MnO2
1. LiAlH4
D
E
3. H+, H2O (C7H6O3) 2. H2O
(C7H8O2)
11 класс
F
(C7H6O2)
Лист 2 из 4
Br 2
F
(C7H6O2) CH3OH
CH3ONa
H
G
CuBr
(C8H8O3)
(C7H5BrO2)
NH3, H2
Ni, t oC
K
(C8H11NO2)
1. Na/NH3(ж.)
1. Br-(CH2) 4COOH
SOCl2
K
M
L
N
X
NaNH2 (изб.)
+
-HCl
(C
H
O
)
(C
H
O
)
(C
H
ClO)
2.
H
,
H
O
10 18 2
10 16 2
10 17
2
2. H+, H2O
Приведите структурные формулы соединений A–N и самого капсаицина X, если известно, что в
соединении D отсутствует внутримолекулярная водородная связь.
Задание 4. «Хлор + вода = клатрат».
Хлор — химически активный неметалл, принадлежащий к группе галогенов. Был открыт в
1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле при взаимодействии пиролюзита (MnO2) с
концентрированной соляной кислотой. В промышленности хлор получают электролизом водного
раствора хлорида натрия, а чтобы предотвратить окисление воды, анод покрывают слоем RuO2.
1. Напишите уравнение реакции, проведенной Шееле, предложите ещѐ один лабораторный способ
получения хлора. Напишите уравнения реакций основного процесса электролиза водного раствора
хлорида натрия, а также побочного процесса, протекающего без анодного покрытия RuO2.
2. Существует ряд кислот, содержащих хлор, водород и кислород. Приведите формулы и названия
этих кислот, а также названия соответствующих им калиевых солей по традиционной химической
номенклатуре.
Можно выделить два типа взаимодействия хлора с водой после его растворения. При комнатной
температуре в разбавленном растворе в основном происходит реакция диспропорционирования. При
пониженной температуре из насыщенного раствора хлорной воды выделяются жѐлтые кристаллы
клатрата хлора. Клатраты представляют собой такие соединения, в которых молекулы одного сорта
(т. н. «гости») заключены в полости, образованные молекулами другого сорта (т. н. «хозяевами»).
В клатратах между «гостями» и «хозяевами» обычно образуются слабые межмолекулярные связи:
вандерваальсовы либо водородные.
3. Напишите уравнение реакции диспропорционирования хлора в воде при tкомн.. Какой из описанных
типов связей характеризуется большей энергией? А какой из них реализуется в клатрате хлора?
4. Определите состав клатрата Cl2∙nH2O, если при разложении 1,5 г данного соединения при 10 oC и
нормальном атмосферном давлении выделяется 170 мл
хлора. Какое из веществ является «хозяином», а какое —
t °C
«гостем»?
Вашему вниманию предложена схема, в центре которой
электролиз
t °C, MnO2
находится хлорсодержащее вещество А.
А
KCl + H2O
60 °C
5. Установите формулу вещества А и приведите его соб+C6H12O6 (тв.)
ственное историческое название.
t C
6. Напишите уравнения всех реакций, приведѐнных на
схеме.
7. Хлор — токсичный удушливый газ, являющийся одним из первых боевых отравляющих веществ.
Если произошла утечка хлора, то на очень короткое время защитить органы дыхания от попадания в
них хлора можно тканевой повязкой, смоченной раствором карбоната, сульфита или тиосульфата
натрия. Напишите уравнения описанных реакций (в реакции с тиосульфатом натрия рассмотрите два
случая — с недостатком и избытком хлора).
8. Реакция хлора и водорода в газовой фазе является фотохимической, т. е. активирующейся под действием света. Реакция обладает высоким квантовым выходом  = 106 (отношение числа прореагировавших молекул к числу поглощѐнных фотонов). Определите, сколько фотонов было поглощено хлором, если в результате образовалось 0,134 моля хлороводорода. В результате реакции поглотилось
0,2 Дж световой энергии. Светом какой длины волны облучали реакционный сосуд?
Энергия одного кванта излучения связана с его частотой соотношением E = h, где h – постоянная
Планка = 6,63∙10–34 Дж∙с.
11 класс
Лист 3 из 4
Задание 5. «Высокий уровень подготовки выпускников ФЕН НГУ достигается гармоничным
сочетанием глубоких знаний в областях математики, физики, химии и биологии». http://fen.nsu.ru
Металл H — один из первых металлов, широко освоенных человеком из-за сравнительной доступности для получения из руды и малой
температуры плавления. Он входит в семѐрку металлов, известных человеку с очень древних времѐн. В приведѐнной ниже схеме с помощью
букв трѐх английских слов, характеризующих Факультет естественных
наук, зашифрованы превращения металла H. Известно, что E, G, L, M,
S являются бинарными веществами. Вещество E чѐрного цвета,
растворы веществ L и M голубого цвета, а вещество S красного цвета.
1. Запишите эти три слова, учитывая, что выделенные жирным буквы
можно использовать несколько раз, а остальные только один раз.
2. Определите металл H. Вспомните названия трѐх минералов металла Н и приведите химические
формулы основных компонентов каждого из них.
3. Расшифруйте все зашифрованные вещества. Приведите названия веществ, обозначения которых
выделены жирным цветом.
4. Напишите уравнения реакций (1)–(22).
Раствор вещества Y зелѐного цвета. Однако при нанесении капли вещества на смоченную полоску бумаги и наложении постоянного электрического тока зелѐная окраска раствора исчезает и возле
одного из электродов скапливается «вещество» ярко-синего цвета, а возле другого — жѐлтого.
5. Объясните данный факт. Если нужно, приведите уравнение реакции. Какое вещество скапливаются
возле катода, а какое возле анода?
Растворы веществ O и T часто используются в газовом анализе для улавливания окиси углерода,
которая поглощается на холоду и вновь выделяется при нагревании. Из насыщенного окисью углерода раствора T может быть выделен бесцветный дигидрат, содержащий 38,98% H по массе.
6. Определите формулу дигидрата и напишите уравнение реакции улавливании окиси углерода.
Вещество U образуется в среде неводного растворителя и представляет собой бесцветные
кристаллы, содержащие ион металла H в малораспространѐнной степени окисления. При добавлении
к нему хотя бы небольшого количества воды происходит мгновенное химическое превращение с
образованием осадка и раствора синего цвета.
7. Напишите уравнение реакции вещества U с водой. Как вещество U будет реагировать с водным
раствором аммиака? Напишите уравнение реакции.
Кристаллы вещества B, выпадающие при охлаждении его насыщенного водного раствора, при
прокаливании при температуре ниже 100 C теряют 14,4% своей массы, при нагревании выше 110 C
масса вещества уменьшается ещѐ на 14,4% от массы исходного вещества, а нагревание выше 260 C
приводит к образованию белого вещества, масса которого составляет 63,9% от исходной.
8. Приведите тривиальное название вещества В, выпадающего в осадок из его водного раствора при
охлаждении, и запишите уравнения реакций его последовательного термолиза при разных
температурах.
11 класс
Лист 4 из 4